金属切削原理与刀具设计课件3金属切削过程

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金属切削原理与刀具

第三章 金属切削过程

石家庄铁道学院

3.1 切屑的形成过程
挤压与切削
? 切屑的形成与切离过程，是切削层受到刀 具前刀面的挤压而产生以滑移为主的塑性变 形过程。 ? 正挤压：金属材料受挤压时，最大剪应力 方向与作用力方向约成45° ? 偏挤压：金属材料一部分受挤压时， OB 线以下金属由于母体阻碍，不能沿AB线滑移 ，而只能沿OM线滑移
45° M A F

O B a）正挤压
45° M A B b）偏挤压 M O F

? 切削：与偏挤压情况类似。弹性变形→剪 O 切应力增大，达到屈服点→产生塑性变形， F 沿 OM 线滑移 → 剪切应力与滑移量继续增大 ，达到断裂强度→切屑与母体脱离。 c）切削 图3-1 金属挤压与切削比较

3.2 金属切削过程的变形
金属切削变形过程
切屑 M 终滑移线

A

Φ剪切角 始滑移线：τ=τs O

刀具

图3-2 切屑根部金相照片

3.2 金属切削过程的变形
金属切削变形过程

图3-3 切削变形实验设备与录像装置

3.2 金属切削过程的变形
三个变形区分析
? 第Ⅰ变形区：即剪切变形区 ，金属剪切滑移，成为切屑。 金属切削过程的塑性变形主要 集中于此区域。
Ⅱ

Ⅰ
Ⅲ

? 第Ⅱ变形区：靠近前刀面处 图3-4 切削部位三个变形区 ，切屑排出时受前刀面挤压与 摩擦。此变形区的变形是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的 主要原因。 ? 第Ⅲ变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦，产生变 形。此区变形是造成已加工面加工硬化和残余应力的主要 原因。

3.3 切屑类型与变形系数
表3-1 切屑类型及形成条件
名称 带状切屑 挤裂切屑 单元切屑 崩碎切屑

简图

形态
变形 形成 条件

带状，底面光滑 ，背面呈毛茸状
剪切滑移尚未达 到断裂程度 加工塑性材料， 切削速度较高， 进给量较小， 刀具前角较大 切削过程平稳， 表面粗糙度小， 妨碍切削工作， 应设法断屑

节状，底面光滑有裂 纹，背面呈锯齿状

粒状

不规则块状颗粒
未经塑性变形即 被挤裂 加工硬脆材料， 刀具前角较小

局部剪切应力达到断 剪切应力完全达 到断裂强度 裂强度 加工塑性材料， 切削速度较低， 进给量较大， 刀具前角较小 切削过程欠平稳， 表面粗糙度欠佳 工件材料硬度较 高，韧性较低， 切削速度较低

影响

切削力波动较大， 切削力波动大，有 切削过程不平稳， 冲击，表面粗糙度 表面粗糙度不佳 恶劣，易崩刀

3.3 切屑类型与变形系数
切屑类型

带状切屑

Real

挤裂切屑

Real

节状切屑

Real

崩碎切屑

Real

图3-5 切屑形态照片

3.3 切屑类型与变形系数
切屑控制
? 为使切削过程正常进行和保证已加工表面质量，应使切 屑卷曲和折断。 ? 切屑的卷曲是切屑基

本变形或经过卷屑槽使之产生附加 变形的结果（图3-6）
?断屑是对已变形的切屑再附加一次变形（常需有断屑装置， 图3-7）

图3-6 切屑的卷曲

图3-7 断屑的产生

3.3 切屑类型与变形系数
变形系数
切削层经塑性变形后，厚度增加，长度缩小，宽度基本 不变。可用其表示切削层变的变形程度。 ◆ 厚度变形系数
?h ?
hch hD
（3-1）

◆ 长度变形系数
LD ?L ? Lch
（3-2）
Lch LD

图3-8 切屑与切削层尺寸

3.3 切屑类型与变形系数
相对滑移系数
cos ? 0 ?S ? ? ? ?y sin ? cos(? ? ? 0 )
γ0

（3-3）

? 当γ0 = 0～30°，Λh ≥1.5时， Λh与ε相近 ? ε主要反映第Ⅰ变形区 的变形， Λh 还包含了第 Ⅱ变形区的影响。
M

φ
O

图3-9 相对滑移系数

3.4 切屑与前刀面的摩擦变形
特点
在高温高压作用下，，切屑底层与前刀面发生沾接，切屑 与前刀面之间既有外摩擦，也有内摩擦。

两个摩擦区
? 粘结区：高温高压使切屑底 层软化，粘嵌在前刀面高低不 平的凹坑中，形成长度为 lfi 的 粘接区。切屑的粘接层与上层 金属之间产生相对滑移，其间 的摩擦属于内摩擦。 ? 滑动区：切屑在脱离前刀面 之前，与前刀面只在一些突出 点接触，切屑与前刀面之间的 摩擦属于外摩擦。
lfi lfo

图3-10 切屑与前刀面的摩擦

3.5 积屑瘤
积屑瘤成因
◆ 一定温度、压力作用下，切屑底层与前刀面发生粘接 ◆ 粘接金属严重塑性变形，产生加工硬化

积屑瘤形成过程
滞留—粘接—长大
切屑

积屑瘤影响
◆ 增大前角，保护刀刃 ◆ 影响加工精度和表面 粗糙度
Real Real

积屑瘤

刀具

图3-11 积屑瘤

3.6 已加工表面的变形
变形原因
切削刃存在刃口圆弧， 导致挤压和摩擦，产生 第Ⅲ变形区。
hD

τ
ΔhD A C E F Δh

变形情况
A 点以上部分沿前刀面 流出，形成切屑； A 点 以下部分受挤压和摩擦 留在加工表面上，并有 弹性恢复。

σn

τ

图3-11 已加工表面变形

应力分布
A点前方正应力最大，剪应力为 0。 A点两侧正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，继而减小。

3.7 硬脆非金属材料切屑形成机理
脆性断裂条件
G＞GC
（3-4）

式中 G —— 裂纹扩展单位长度时释放的能量（应变能 释放率）； GC ——裂纹扩展单位长度时所需的能量（裂纹扩 展阻力）。 对于Ⅰ型（张开型）裂纹，在平面应变条件下，脆性断 裂条件为： K1＞K1C 式中 K1 —— 应力强度因 子； K1C —— K1临界值。
（3-5）

3.7 硬脆非金属材料切屑形成机理
脆性材料切削过程
◆ 大规模挤裂与小规模挤裂交替进行（图3-13）

a）

b）

c）

d）

e）

图3-12 硬脆材料切削过程

a）大规模挤裂（大块破碎切除） b）空切 c）小规模挤裂（小块破碎切

除） d）小规模挤裂（次小块破碎切除） e）重复大规模挤裂（大块破碎切除）

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